JPS63182586A - レ−ザ光線を使用した３次元空間上の角度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、レーザ光線を使用した３次元位置の測定方法
および装置に関し、更に詳しくは３次元空間の所定点が
基準点からなす角度を測定する方法及び装置に関する。

［従来の技術］ レーザ光線を利用した距離或いは方向の測定は、トラン
シットによる測量に比較して熟練を必要とせず、また測
定データの処理がコンピュータで可能で、自動記録或い
は表示も可能なと優れた測量法である。そこで、本出願
人は、このレーザ光線による優れた測定方法を特願昭６
０−１８９６８８号、特願昭６０−２６７４８１号等に
よって提案しな。

ところで、上記提案された測定方法或いは装置は、いず
れも平面における所定点すなわち計測点が基準線からな
す角度或いは方向を測定するもので、３次元空間の計測
点の方向は測定できないものである。また測定に使用さ
れるレーザがビーム形状であるため計測範囲か狭いとい
う難点がある。

もっとも、平面位置の測定には、ビーム形状でも格別問
題は生じないが、３次元空間の計測点の方向の測定には
問題がある。

［発明の目的］ したかって、本発明は、レーザを使用して３次元空間の
計測点の基準線からの方向を測定する方法及び装置を提
供することを目的とし、また測定範囲の拡大された測定
方法及び装置を提供することを目的としている。

′Ｌ発明の構成］ 本発明によるレーザ光線を使用した３次元空間の角度測
定方法によれは、基準点に互いに逆方向に等速で回転軸
を中心としてスリツＩ−状のレーザ光線を回転照射する
レーザ灯台を設置し、計測点には前記レーザ灯台から照
射されるレーザ光線を検知するセンサを設置し、前記第
１のレーザ灯台から照射される互いに逆方向に回転する
レーザ光線を検知する時間差を計測して演算装置に入力
し、計測点が基準点からなす角度を算出する。

本発明によるレーザ光線を使用した３次元空間の角度測
定装置によれば、基準点に設置されるレーザ灯台と、計
測点に設けられるレーザ光線検知センサと、レーザ光線
を受光する時間差を測定する時間測定装置と、該時間測
定装置で測定された測定値が入力されて計測点が基準点
となす角度を演算する演算装置とから成り、前記レーザ
灯台はスリブ１〜状のレーザ光線を互いに逆方向に等速
で回転照射するように構成されている。

［発明の原理コ 本発明は、原理的には先に提案された特願昭６０−２６
７４８１号に記載の発明が利用されている。そこで、ま
ずその先行発明の詳細な説明する。

第１図に示すように（ｘ、ｙ）平面上に基準線ＡＢがあ
り、そして同平面上にＣ点すなわち計測点があるとき、
Ｃ点が基準線ＡＢとなす角θを求めることについて考察
すると、レーザビームをＡ−４一 点からＢ点へ向は発し、そしてこのレーザビームを反時
計方向ＣＣＷと時計方向ＣＷとに等速で回転させると、
Ｃ点では反時計方向のレーザビームＣＣＷを観測して、
次に時計方向のビームＣＷを観測する筈である。そして
再び反時計方向のビームＣＣＷを観測することになる。

計測点Ｃが第３或いは第４象現に存在するときは、観測
順序が異なるたけで、原理的には同じであるこ尼は明ら
かである。

このように観測時刻が異なるので、この観測時間差から
角θを算出できることになる。すなわち第２図に示すよ
うに、Ｃ点における観測時間差はｔｌ　、ｔ２　、ｔｌ
　・・・であるので、角θはθ−（ｔｌ　−ｔ２　）／
　（ｌ　ｔｌ　−ｔ２　１）ｘｔｌ　／（ｔｌ　＋ｔ２
　）Ｘ１８０°で求められる。

ところで、反時計方向に回転するレーザと、時計方向の
レーザを準備するのは等速で駆動する方法にも、またコ
スト的にも問題があるので、１個の回転レーザを使用し
、そしてミラーを適用することによって、２方向の回転
レーザＣＣＷ、ＣＷを＝　　５　− 得るようにし、また反時計方向のレーザＣＣＷと時計方
向のレーザＣＷを区別するために、先の発明では上下方
向に所定間隔をおいて１ノ−ザビームが適用されている
。

このように、ｘ、ｙ平面上で回転するレーザすなわちｘ
、ｙ平面に垂直なＺ軸を中心にして両方向に等速で回転
するレーザを適用すると、ｘ、ｙ平面上の計測点が基準
線となす角すなわち方向が求まり、同様にＸ軸を中心に
して両方向に等速で回転する１ノ−ザを使用すると、計
測点が基準点においてｘ、ｙ平面となす角が求まること
になる。

［発明の作用効果］ 本発明によれば前述の如くスリット状のレーザ光線を用
いてその交点を求めるので、センサが光線を検知しやす
く、容易に３次元的な角度を求めることができる。した
がって例えば移動する物体もその物体にセンナを設けれ
ばその３次元方向を求めることができる。このようにス
リット状のレーザ光線を用いることによってセンサが容
易に光線を検知でき、角度の測定上極めて好適である。

Ｌ実施例］ 本発明の実施に際しては、基準点を結ぶ基準線を補正す
るためには基準方向検出センサを使用し、また】／−ザ
光線の検知センサは、フォトダイオード、増幅整形回路
、しきい倍回路等で構成することができる。レーザ光線
を受光する時間差は、水晶発振回路、ゲーＩ・回路、カ
ウンタ回路等で構成し、演算装置はマイクロコンピュー
タで構成できる。しかしながら、これらの装置は、いず
れも当業者において周知であり任意に適用できるもので
あるから、以下の実施例では、ブロック図として示され
るだけである。

以下添付図面の第３図、第４図によって、レーザ灯台の
実施例から説明する。

第３図において、レーザ灯台１は、固定ハウジング１０
と、このハウジング内に設けられている回転台２０と、
ハウジング１０及び回転台２０に取付けられている後述
する各種の光学装置とから成っている。

固定ハウジング１０は、略箱形に形成され、その底壁１
１の中心部にはレーザ発振器３０が固定されている。そ
して、この発振器から照射されるレーザ光線Ｘは、中心
透孔１２からハウジングの内部へ達するようになってい
る。固定ハウジング１０は、上方部に支持部材１３を一
体的に備えている。そしてこの支持部材に反射面Ｓが回
転中心線Ｃに一致するようにミラー２が固定されている
。

固定ハウジング１０の内部には、モータの構成要素であ
る固定子２１が設けられ、この固定子に対向して平板状
の回転子２２が軸受２３により回転自在に軸受けされて
いる。そして、この回転子２２に回転台２４が一体的に
載置されている。回転台の回転中心には透孔２５が形成
され、１ノ−ザ発振器３０からのレーザ光線Ｘはこの透
孔２５を通って、回転台２４に固定されたペンタプリズ
ム３に達するようになっている。

回転台２４の中心には、前述のようにペンタプリズム３
が固定され、そして周縁部には３角形の反射プリズム４
とビームスプリッタ６が、また中間位置にはシリンドリ
カル凹レンズ５が軸心が斜め上方を向くようにして一体
的に設けられている。

したがって、回転台２４が回転すると、プリズム３、シ
リンドリカル凹レンズ５、反射プリズム４およびスプリ
ッタ６が一体的に回転することになる。

Ｉ／−ザ灯台１は、以上のように構成されているので、
レーザ発振器３０から照射されるレーザ光線又は、ペン
タプリズム３で図示のように屈折され、シリンドリカル
凹レンズ５に達する。シリンドリカル凹レンズ５では、
図示のようにレーザ光線は上下方向にのみ拡散され、第
１の端部の光線Ｌ１は、その一部はビームスプリッタ６
を通って直進してレーザ光線ＣＣＷ１となり、残りの光
線は反射プリズム４で屈折され、そしてミラー２で反射
してレーザ光線Ｃ，Ｗ１となる。また第２の端部のレー
ザ光線Ｌ２は、その一部は反射プリズム４及びビームス
プリッタ６を通って直進し、光線ＣＣＷ２となり、残余
の光線は反射プリズム４で屈折して、更にミラー２で反
射して光線ＣＷ２となる。

したがって、凹レンズ５を通ってプリズム、ミラー等を
通過或いは屈折されたレーザ光線は、スリット状にＣＣ
Ｗ２とＣＣＷｌ及びＣＷｌとＣＷ２との間に拡散され、
しかも斜め上方へ照射される。それ故、第３図において
角ψで示される範囲に計測点が存在すると、計測点は２
種のレーザ光＠ｃｗ、ｃｃｗに照射されることになる。

そして、今回軟白２０を上方からみて反時計方向に回転
させると、レーザ光線ＣＣＷ１　、ＣＣＷ２は回転台と
同方向に回転するが、光線ＣＷ１　、ＣＷ２はミラー２
が反射されているので反転し、時計方向に回転する。こ
の回転方向の関係は第４図に模式的に示されている。

このように、レーザ光線が照射されるので、第３図にお
いて示す計測エリアに計測点が存在すると、計測点は反
時計方向の光＠ＣａＷと、時計方向の光線ＣＷとに照射
される。したがって、第１図、第２図に関して説明した
ように、時間差を測定すると計測点の角度或いは方向が
演算できることになる。反時計方向の光線ＣＣＷを受光
するセンサと、時計方向の光線ＣＷを受光するセンナと
を設けると、計測エリア以外の計測点の角度も演算でき
る。

そこで、第５図によって、その測定方法について説明す
る。基準点Ａをｘ、ｙ平面上に定め、そして基準点Ａに
、レーザ灯台１の回転中心ＣがＺ軸と一致するように設
置して、レーザ光線を照射する。計測点Ｃには、レーザ
光線検出センサ５０を設け、レーザ光線を検知するよう
にする。また時間測定装置５１と演算装置５２を設ける
。

さて、上述のようにしてレーザ光線が照射されると、セ
ンサ５０は光線ＣＣＷとＣＷを検知する。

そしてその信号が時間測定装置に入力されて、第２図に
ついて説明したように、時間差ｔ１　、ｔ２、ｔｌ　、
ｔ２　　・・・が測定される。したがって、これらの時
間差ｔ１’、ｔ２から計測点Ｃが基準線なりからなす角
αがα＝（ｔｌ−ｔ２）／（ｌｔｌ−ｔ２１）　Ｘｔｉ
　／（ｔｌ　＋ｔ２　）　Ｘ１８０６の式により演算装
置５２によって算出される。

さて本発明によると、３次元空間の計測点の位置も容易
に測定できる。例えば第６図に示すように、Ｘ軸上の基
準点Ａ、Ｃに回転中心がＺ軸と一致するようにレーザ灯
台１を設置して、角α、γを測定する。基準点Ａ、Ｃ間
の距ｔｌｌＨは予め求められているので、２角と一辺が
定まり、Ｃ−の座標（ｘ−５ｙ−）は演算装置５２によ
り算出され、角βが算出されているので、Ｚも演算され
、その座標（ｘ−、ｙ−、ｚ−）が演算される。これら
の演算値はディスプレイに表示し、またプリンＩ−アウ
トすることもできる。

このように３箇所の基準点からレーザ光線が照射される
と、〕〕／−ザ光線検知センサ５は、それらを区別する
ように構成する必要がある。その実施例が第７図に示さ
れている。すなわちセンサ５０はフォトダイオードなど
から構成されるが、レーザ灯台の設置点が異なるので、
それを利用してセンサ５０を３個ａ−５ｂ−１Ｃ一般け
て、それぞれのセンサａ−１ｂ−５Ｃ−には、それぞれ
の基準点Ａ、Ｂ、Ｃに設けられている灯台の光線のみを
受光するようになっている。また図示はされていないが
、レーザ灯台のレーザの波長を変えて、光学フィルタで
分別するようにすることも、更には灯台の回転周期を変
えてマイクロコンピュータで判別するようにすることも
できる。

［まとめ］ 以上説明したように、本発明によるとレーザ光線がスリ
ット状に拡大されているので、測定範囲が広く、したが
って３次元空間に存在する計測点の角度が容易に測定で
きる。更には、レーザ光線がスリット状であるため移動
計測点も測定できる。

またレーザ光線を使用しているので、瞬時に測定でき、
しかもそのデータの表示や記録が容易である等の効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は計測点におけるレーザ光線の受光時
間間隔と角度との関係を示す説明図、第３図は本発明に
係るレーザ灯台の１実施例を示す側面図、第４図はレー
ザ灯台の模式的平面図、第５図及び第６図はそれぞれ異
なる測定法を示す説明図、第７図はレーザ光線検知セン
サの１実施例を示す模式的斜視図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基準点に互いに逆方向に等速で回転軸を中心とし
   てスリット状のレーザ光線を回転照射するレーザ灯台を
   設置し、計測点には前記レーザ灯台から照射されるレー
   ザ光線を検知するセンサを設置し、前記第１のレーザ灯
   台から照射される互いに逆方向に回転するレーザ光線を
   検知する時間差を計測して演算装置に入力し、計測点が
   基準点からなす角度を算出することを特徴とするレーザ
   光線を使用した３次元空間上の角度測定方法。
2. （２）基準点に設置されるレーザ灯台と、計測点に設け
   られるレーザ光線検知センサと、レーザ光線を受光する
   時間差を測定する時間測定装置と、該時間測定装置で測
   定された測定値が入力されて計測点が基準点となす角度
   を演算する演算装置とから成り、前記レーザ灯台はスリ
   ット状のレーザ光線を互いに逆方向に等速で回転照射す
   るように構成されていることを特徴とするレーザ光線を
   使用した３次元空間上の角度測定装置。